杭来湾煤矿302盘区综采工作面设备匹配选型实践

张 军

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

1 工作面概况

1.1 赋存条件地质简介

302盘区位于杭来湾井田西北部，盘区东西长约5.9 km，南北宽约3.7 km，面积约21.3 km2。302盘区内3号煤层厚度6.34～8.14 m，平均7.46 m。直接顶板岩性主要为粉砂岩、泥岩，直接底主要岩石为粉砂岩、泥岩。煤层顶板属中等冒落顶板～难冒落顶板，矿井为低瓦斯矿井。

1.2 采煤方法选择

井田302盘区3号煤厚煤层可采用的采煤方法有以下三种：分层大采高综合机械化开采、放顶煤综合机械化开采和一次采全高超大采高综合机械化开采[1]。分层开采在设备投资、煤炭回收率等方面有明显优势，但由于巷道掘进率高、维护困难，容易造成工作面接续紧张、采掘失调，且下分层开采时在巷道布置、顶板维护、自然发火等方面有不可避免的困难和风险。放顶煤开采对煤层厚度的适应性好，巷道掘进量少，顶板管理相对简单，自燃易防治，但煤炭回收率较低，瓦斯易积聚。通过对煤层强度、埋深、顶煤节理裂隙、顶板条件综合分析，3号煤顶煤冒放性一般。一次采全高的优点是工作面产量和效率大幅度提高，增产潜力大，巷道掘进量少，设备工序简单，煤炭回收率高，原煤含矸率低，缺点是设备搬迁和安装困难，投资高，煤壁易片帮。

综合对比，根据目前国内装备水平应用发展、周边各矿的技术实践经验以及总体经济效益综合对比，采用了一次采全高超大采高综合机械化采煤方法。

2 液压支架的选型

液压支架的核心指标有架型、中心距、支架高度和工作阻力等[2]。

2.1 架型

两柱掩护式支架相对四柱支撑式具有结构简单、重量轻、造价便宜、整体受力平衡、电液控自动化容易实现等优点，故架型确定为两柱掩护式。

2.2 中心距

超大采高液压支架目前主流采用的中心距规格有1.75 m、2.05 m、2.4 m三种。1.75 m的宽度相对7 m以上的超大采高支架来说，横向失稳角小，稳定性较差。2.4 m中心距支架稳定性最好，但目前支架运输配套不成熟，调研各安装单位没有相应的运输设备，另外井下现有运输巷道尺寸也无法满足要求。2.05 m中心距支架在稳定性和运输安装等方面平衡性最好。故支架中心距确定为2.05 m。

2.3 支架高度

支架高度可以用以下公式计算：

式中：Hmax为支架的最大高度，m；Mmax为煤层的最大可采厚度，取7.3 m；S1为最大采高时支架高度的富余量，一般取0.1～0.3 m，设计取值0.2 m；Hmin为支架的最小高度，m；Mmin为煤层最小可采厚度，取5.5 m；S2为最小采高条件下顶板的下沉量，取值0.3 m；a为支架移架降架最小高度，取0.1 m；b为浮煤厚度，取0.1 m。计算得：支架高度Hmax=7.5 m，Hmin≤5 m。

2.4 工作阻力

工作阻力用以下公式计算：

式中：F为工作阻力，kN；η为支撑效率，取0.98；B为支架中心距，取2.05 m；Lk为控顶距，取6.4；P为支护强度，MPa；n为顶板岩石厚度系数，取6～8；h为采高，取7.5 m；γ为顶板岩石容重，2.5 t/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2。计算支架工作阻力F=8×7.5×2500×9.8×10-6×2.05×6.4×103/0.98=19 680 kN，圆整后支架工作阻力取21 000 kN。

选定液压支架为ZY21000/36/75D型两柱掩护式液压支架，其主要技术参数见表1。

表1 液压支架主要技术参数

3 采煤机的选型

采煤机的核心指标有割煤速度、生产能力、装机功率[3]。

3.1 割煤速度

割煤最低速度的计算公式如下：

式中：V为采煤机割煤速度，m/min；Qd为工作面日产量，取30 300 t；L为工作面长度，取300 m；h为采高，取7.5 m；Bg为截割深度，取0.865 m；r为煤层容重，取1.32 t/m3；T为每班工作时间，取8 h；I为采煤机开缺口行程，取35 m；Kk为采煤机组开机时间占比，取75%；Kc为工作面回采率，取0.93。

计算得出割煤最低速度V=5.9 m/min，取整数6 m/min。

3.2 生产能力

式中：Q为采煤机平均生产能力，t/h；Q=60×7.5×0.865×6×1.32=3083 t/h。

Qm=1.35Q，Qm为采煤机最大生产能力，t/h。Qm=1.35×3083=4162 t/h。

采煤机最大生产能力不低于4162 t/h。根据上述计算采煤机选择SL1000型，主要技术参数见表2。

表2 采煤机主要技术参数

4 刮板输送机的选型

刮板机输送机选型须保证其运输能力≥采煤机最大割煤能力[4]。

式中：Qq为输送机运输能力，t/h；Q为采煤机最大割煤能力，t/h；Ka为割煤不均衡系数、Kb为割煤高度不均衡系数、Kv为修正系数、Ky为运输倾角系数，分别取值1.1、1.1、1.05、1.0。算得Qq=1.1×1.1×1.05×1×4162=5 287.8 t/h。经校验，Qq=5 287.8 t/h≥Qm=4162 t/h。

根据上述计算选择SGZ1400/3×1500型刮板机，主要技术参数见表3。

表3 刮板机主要技术参数

5 转载机与破碎机的选型

转载机的运输能力需满足：Qz≥Ke×Qq。Qz为转载机运输能力，t/h；运输机不均匀系数取1.1。转载机运输能力不低于Qz=1.1×5 287.8=5816 t/h。转载机选SZZ1600/1000型，其运输能力为6500 t/h，总装机功率1000 kW，启动方式为智能变频软启动，链速0～2 m/s，刮板间距608 mm，适应的工作面倾角0°～10°。

破碎机破碎能力应不低于转载机的运输能力：Qp≥Kf×Qz。其中：Qp为破碎机的破碎能力，t/h；转载机不均匀系数取1.1。破碎机运输能力不低于Qp=1.1×5816=6398 t/h。根据上述计算选定破碎机PCM700型，其运输能力为7000 t/h。

6 乳化泵的选型

乳化泵主要参数包括额定工作压力和额定流量[5]。

（1）乳化泵的额定工作压力应满足下列公式：

式中：Pr为乳化泵工作压力，MPa；F为工作阻力，取21 000 kN；μ为初撑力比例系数，取0.75；d为支架立柱外缸内直径，取0.53 m。

Pr≥0.75×21000/[3.14（0.53/2）×（0.53/2）×2]=35.7 MPa；

乳化泵的额定工作压力不小于35.7 MPa。

（2）乳化泵的流量应该满足支架移架速度的要求，选择型号为S500（BRW633/37.5）型五柱塞乳化液泵4台，根据支架的数据：降架流量Q1=6.40 L/s×2×60=768 L/min；移架流量Q2=8.87 L/s×60=532.2 L/min；升架流量Q3=15.78 L/s×2×60=1 893.6 L/min。取最大流量值1 893.6 L/min，考虑富余系数，乳化流量配置应满足2000 L/min。

7 结语

通过计算，选定工作面设备如下：ZY21000/36/75D型两柱掩护式液压支架+SL1000型 采 煤 机+SGZ1400/3×1500型 刮 板 机+SZZ1600/1000型转载机+PCM700型破碎机+S500（BRW633/37.5）型五柱塞乳化液泵4台。

通过设备的配置选型的计算，实现了杭来湾煤矿302盘区综采工作面设备的合理配合、有效适应，提高了工作面各配套设备的集约化、自动化、智能化程度，实现该工作面月产量达到90万t。